面向船舶總體性能預(yù)報APP研制的GJB 5000A應(yīng)用方案

韋喜忠，金建海，王墨偉，趙 峰

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引言

隨著計算機(jī)性能的快速提升和計算科學(xué)的不斷發(fā)展，以物理規(guī)律為基礎(chǔ)、計算科學(xué)為核心的船舶總體性能預(yù)報軟件，正高密度融入船舶（包括艦船、潛艇等）的研發(fā)設(shè)計[1-5]。近年來隨著應(yīng)用的推廣，這些性能預(yù)報軟件開始趨向APP化：即面向一定的應(yīng)用領(lǐng)域、基于一定的數(shù)學(xué)模型、融合專家知識形成可量化的并可工程化應(yīng)用的性能預(yù)報結(jié)果[6-7]。通過對船舶總體性能的體系化梳理并形成相應(yīng)的 APP軟件（或其組合）進(jìn)行船舶總體性能預(yù)報、評價、優(yōu)化的工作模式，具有周期短、成本低、效能高、可與設(shè)計無縫高效融合等優(yōu)點[8]，它將與現(xiàn)有的物理試驗研究體系一起，構(gòu)成船舶總體性能研究的兩大臺柱，客觀上推動我國船舶總體性能研發(fā)模式的變革。其中APP軟件的質(zhì)量和可靠性是這一新的船舶總體性能研發(fā)模式能否成功的前提和基礎(chǔ)。

近年來，GJB 5000A—2008《軍用軟件研制能力成熟度模型》在眾多軟件研發(fā)單位得到了廣泛地應(yīng)用，其思想在許多商業(yè)軟件開發(fā)上也得到了很好的體現(xiàn)，顯著提升了軟件開發(fā)的質(zhì)量和可靠性。

作為國內(nèi)外卓越軟件企業(yè)的經(jīng)驗匯聚而成的最佳實踐，GJB 5000A提供了非常全面的軟件研制過程精細(xì)化管控手段，來幫助軟件開發(fā)團(tuán)隊提升質(zhì)量及完成項目目標(biāo)的可能性。然而GJB 5000A只規(guī)定了應(yīng)該“做什么”，并沒有指明具體“怎么做”，因此在操作執(zhí)行時還需要制定具體的應(yīng)用方案（即實施方案），而目前已有的應(yīng)用方案基本上都是針對軍用裝備軟件（特別是含固件的軟件）。為此，本文針對船舶總體性能預(yù)報APP軟件技術(shù)要求和特點，制定了相應(yīng)的應(yīng)用方案，用于規(guī)范這類軟件的研制，同時也可為其他各類軟件的開發(fā)提供參考。

1 船舶總體性能預(yù)報APP技術(shù)要求

在船舶全壽命技術(shù)責(zé)任鏈“研究－設(shè)計－驗證－建造－檢驗－服役－維修改進(jìn)”中，特別是在研究、設(shè)計和驗證階段，依托物理試驗或者性能預(yù)報軟件對船舶的水動力學(xué)、結(jié)構(gòu)安全、振動噪聲等總體性能進(jìn)行預(yù)估是一項必不可少的重要環(huán)節(jié)，因此相關(guān)預(yù)報軟件的研發(fā)與應(yīng)用一直是船舶行業(yè)技術(shù)研究熱點。尤其是近二十年來，借助于自主研發(fā)或商用軟件二次開發(fā)等方式，在船舶總體性能研究、預(yù)報、評價以及優(yōu)化等方面，取得了豐碩的成果，極大地豐富了以物理試驗為主的工作內(nèi)容。

但是這些總體性能預(yù)報軟件還存在結(jié)果穩(wěn)定性不高、特別是同一個軟件應(yīng)用還存在“因人因事”差異等問題，從而影響了其總體作用的發(fā)揮，難以形成體系化的總體性能研發(fā)模式。為此，基于多年的研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗，中國船舶科學(xué)研究中心提出了基于“屬性細(xì)分、知識封裝”思想的APP化方法：其核心思想是以物理規(guī)律為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)挖掘和物理機(jī)理研究等方案，對應(yīng)用域、數(shù)學(xué)模型、條件域（或參數(shù)設(shè)置）等影響預(yù)報結(jié)果的因素進(jìn)行研究分析[9-10]，并經(jīng)大子樣數(shù)據(jù)應(yīng)用驗證后，獲取如何確定應(yīng)用領(lǐng)域、數(shù)學(xué)模型、參數(shù)設(shè)置的“專家知識”，并將整個分析過程和這些“專家知識”融合形成獨立的應(yīng)用軟件，即APP軟件。使用這些經(jīng)過“知識封裝”的APP軟件，不但可以大幅提高應(yīng)用的魯棒性和可靠性，還可以降低使用門檻，為推動我國船舶總體性能研發(fā)模式的變革創(chuàng)造可能。

綜上，如圖 1所示，船舶總體性能預(yù)報軟件發(fā)展的新趨勢——APP軟件的研發(fā)，與之前的軟件/程序相比，其最大不同點是把原來依賴于個人能力的預(yù)報分析過程中的知識“封裝”進(jìn)來，即要明確應(yīng)用域、數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的條件域（參數(shù)設(shè)置）這3個核心環(huán)節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，以此來提高最終的魯棒性和可靠性。因此，理清預(yù)報整體分析過程尤其是這3個環(huán)節(jié)的明確需求，并對它進(jìn)行有效驗證測試是軟件 APP化開發(fā)的核心技術(shù)要求，非常適合采用GJB5000A的精細(xì)化管控思想。

圖1 APP軟件主要特點示意圖

此外，從事船舶總體性能預(yù)報軟件研發(fā)的人員，其主要工作往往以力學(xué)性能基礎(chǔ)研究為主，軟件工程化基礎(chǔ)相對薄弱，主要表現(xiàn)在：

1）軟件研制流程不明確。整個軟件研制過程應(yīng)該包含哪些階段、各階段工作任務(wù)及要求等不明確。

2）需求分析不充分。當(dāng)前APP的應(yīng)用場景、具體采取什么模型，以及哪些是外部輸入，哪些是按照經(jīng)驗知識進(jìn)行封裝等不夠清晰明確，導(dǎo)致后期在試用過程中經(jīng)常有需求變更或需求蠕動。

3）測試不夠全面。性能APP的測試，普通的專業(yè)測試人員，往往只能滿足“純軟件”方面的驗證，而實際效果怎么樣，還需要相關(guān)性能專業(yè)研究人員進(jìn)行專業(yè)確認(rèn)。

2 GJB 5000A及實施原則簡介

以CMMI(Capability Maturity Model Integration，即能力成熟度模型集成）V1.2為主要參考藍(lán)本的GJB 5000A—2008《軍用軟件研制能力成熟度模型》，是國際軟件開發(fā)過程最佳實踐的凝練。它以 PDCA為指導(dǎo)思想，以實現(xiàn)精細(xì)化管理和單位最佳實踐的傳承為目標(biāo)，既是評價組織（某個單位或團(tuán)隊）軟件研制能力的主要標(biāo)準(zhǔn)，也是軟件研制能力如何提升的重要參考和指導(dǎo)。

GJB 5000A的核心內(nèi)容，或評價參考的主要內(nèi)容如圖2所示：軟件研制能力成熟度分為5個等級，每一等級構(gòu)成了前進(jìn)中過程改進(jìn)基礎(chǔ)的一個層次，是實現(xiàn)下一個成熟度等級的基礎(chǔ)；每個成熟度等級都包含了一組預(yù)先定義的、改進(jìn)組織整體績效的過程域；根據(jù)是否達(dá)到與每組預(yù)定過程域相關(guān)的專用目標(biāo)和共用目標(biāo)（必需部件）來判定是否滿足相應(yīng)的成熟度等級，而專用目標(biāo)和共用目標(biāo)是否能夠達(dá)到又是以其下一層次的專用實踐、共用實踐等期望部件和其他資料性部件的實現(xiàn)情況作為評價與改進(jìn)的依據(jù)[11]。

圖2 GJB5000A框架模型示意圖

其中二級（已管理級）的核心內(nèi)容（提升重點）如研制流程規(guī)范性、工作計劃性、研制階段性、需求控制與管理等，以及三級（已定義級）的部分核心內(nèi)容（提升重點）如嚴(yán)格規(guī)范工程過程活動/制品等，特別契合本文中APP軟件研發(fā)過程監(jiān)控的重點和目前存在的主要問題。為此，本文選擇GJB 5000A作為指導(dǎo)思想，制定創(chuàng)新性的應(yīng)用方案，用于指導(dǎo)船舶總體性能預(yù)報APP軟件開發(fā)活動的實施。

在GJB 5000A實施過程中，為了取得更高的組織效益并防止出現(xiàn)“兩層皮”現(xiàn)象，需要結(jié)合組織/項目的目標(biāo)要求[12-13]，以最有效/最簡為總原則，對目標(biāo)和實踐進(jìn)行本地化。具體而言，相關(guān)的專用目標(biāo)與共用目標(biāo)是每項工作的分目標(biāo)和指導(dǎo)思想；而作為期望部件的專用實踐與共用實踐，則應(yīng)該給出符合組織特色、有效且盡量簡單的過程活動描述，用以滿足相應(yīng)的專用目標(biāo)與共用目標(biāo)。特別是當(dāng)對應(yīng)的目標(biāo)正好與目前軟件開發(fā)過程中存在的問題相呼應(yīng)時，更應(yīng)該據(jù)此進(jìn)行針對性強(qiáng)化，這也是 GJB 5000A在實施過程不斷持續(xù)改進(jìn)的指導(dǎo)原則[14]。

目前GJB 5000A實施的應(yīng)用方案，主要是針對軍用裝備軟件（特別是含固件的軟件），而船舶總體性能預(yù)報軟件尤其是APP軟件與這些軟件的差異較大，因此有必要制定專門的應(yīng)用方案，以確保研發(fā)質(zhì)量與效益并防止出現(xiàn)“兩層皮”現(xiàn)象。

3 基于GJB 5000A的APP研發(fā)方案

為了滿足船舶總體性能預(yù)報軟件APP化的技術(shù)要求，本文以GJB 5000A的核心內(nèi)容為指導(dǎo)，基于多年的船舶總體性能預(yù)報軟件應(yīng)用經(jīng)驗和APP化特點，制定了專門的APP軟件研發(fā)生命周期及開發(fā)過程精準(zhǔn)管控方案[15]，用于指導(dǎo)該類軟件的研發(fā)。

3.1 制定APP研發(fā)生命周期

為解決軟件研制流程不明確的問題，首先需要針對其技術(shù)特點設(shè)定生命周期模型，并根據(jù)技術(shù)狀態(tài)變化設(shè)定不同的工作階段。

一般而言，經(jīng)船舶總體性能體系化梳理后確定要開發(fā)的APP軟件，其需求應(yīng)該已經(jīng)比較明確，所以采用最經(jīng)典的瀑布模型是合適的。其次，此類APP一般以計算為主要特征，大量的復(fù)雜計算特別容易“犯錯”，同時為了解決以往測試不夠全面等問題，特吸收V模型在開發(fā)階段就引入驗證的優(yōu)點[16]。再者參考GJB 2786A—2009《軍用軟件開發(fā)通用要求》等相關(guān)國軍標(biāo)要求，依據(jù)APP化軟件研發(fā)過程中“軟件模型”技術(shù)成熟度的演變、以及團(tuán)隊人員專業(yè)分工的不同，最終制定了如圖3所示的APP軟件研發(fā)生命周期。

圖3 船舶總體性能預(yù)報APP軟件研制生命周期

圖3中，整個生命周期劃分為5個階段。

1）APP需求整理與策劃：該階段主要工作是由船舶總體性能研究人員（簡稱APP項目發(fā)起人）提出軟件研制需求，然后委托給軟件開發(fā)組并由他們給出開發(fā)計劃；同時吸收V模型加強(qiáng)驗證的思想，在任務(wù)書中即給出APP最后確認(rèn)（驗收測試）的初步方案。

2）軟件需求分析：由軟件開發(fā)組按照軟件研制任務(wù)書的要求，從軟件具體實現(xiàn)角度，定義和記錄每項需求得以滿足所使用的“軟件”方法，形成詳細(xì)的軟件需求規(guī)格說明；同時給出軟件配置項測試（合格性測試）的初步方案。

3）軟件設(shè)計與實現(xiàn)：由軟件開發(fā)組針對軟件需求，進(jìn)行概要設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計并開展代碼開發(fā)實現(xiàn)；同時做好代碼自測試等工作。

4）軟件合格性測試：由獨立于軟件開發(fā)組的其他軟件測試人員，對照軟件需求規(guī)格說明，開展軟件驗證測試工作。

5）APP需求確認(rèn)與驗收交付：由獨立的船舶總體性能研究同行，協(xié)同APP任務(wù)提出者一起，完成任務(wù)書中提出的功能/性能方面的確認(rèn)測試，說明該APP確實能在船舶總體性能預(yù)報中起到期望的作用。

3.2 建立開發(fā)過程精準(zhǔn)管控方案

GJB 5000A提供的需求管理、項目策劃、項目監(jiān)控、測量與分析、配置管理、過程和產(chǎn)品質(zhì)量保證等過程域，對船舶總體性能預(yù)報軟件APP軟件的研發(fā)，尤其是目前主要問題的改進(jìn)以及三大核心環(huán)節(jié)的管控，均具有很好的指導(dǎo)意義。經(jīng)研究，綜合其相關(guān)的專用目標(biāo)、共用目標(biāo)以及專用實踐、共用實踐，在整個APP研發(fā)生命周期內(nèi)，建立了精準(zhǔn)管控方案，主要包括以下5個方面。

1）參考需求管理過程域的應(yīng)用方案

（1）由APP項目發(fā)起人（船舶總體性能分析研究人員）按照專門的任務(wù)書模板提出并整理需求，然后與軟件開發(fā)人員、測試人員以及船舶總體性能分析研究其他人員一起對每條需求進(jìn)行理解并確認(rèn)；

（2）整個開發(fā)過程如果有需求變更，則需要分析影響域并獲得團(tuán)隊（變更控制委員會，負(fù)責(zé)人為APP發(fā)起人）同意；

（3）對任務(wù)書、軟件需求、軟件設(shè)計、測試計劃和報告[17]以及關(guān)鍵代碼都進(jìn)行技術(shù)評審，通過需求跟蹤矩陣來確保每條需求的可追蹤性。

2）參考項目策劃過程域的應(yīng)用方案

（1）軟件研制任務(wù)書確定之后，在本文制定的APP研發(fā)生命周期基礎(chǔ)上，對APP開發(fā)過程進(jìn)行WBS分解（可近細(xì)遠(yuǎn)粗），并進(jìn)行工作產(chǎn)品規(guī)模、工作量等估計；

（2）在估計的基礎(chǔ)上，結(jié)合任務(wù)要求制定開發(fā)進(jìn)度，并將APP開發(fā)關(guān)鍵環(huán)節(jié)（需求分析、測試和驗收）設(shè)置為里程碑節(jié)點；

（3）識別可能存在的風(fēng)險，如哪些需求可能不明確、如何有效驗證或測試預(yù)報的合理性等；

（4）結(jié)合APP開發(fā)目標(biāo)，確定工作量、進(jìn)度、需求變更、缺陷等測量項；

（5）最后依據(jù)推薦的模板將以上內(nèi)容編制成開發(fā)計劃，以及附錄的詳細(xì)WBS實施計劃。并在執(zhí)行過程中隨時更新WBS實施計劃；而開發(fā)計劃只在進(jìn)度超過閾值時更新。

3）參考項目監(jiān)控、測量與分析過程域的應(yīng)用方案

（1）在整個開發(fā)期間，開發(fā)團(tuán)隊每個成員按照分配的WBS任務(wù)包進(jìn)行開發(fā)工作，記錄完成任務(wù)包的工作量、進(jìn)度，以及可能有的規(guī)模（如文檔或代碼）、問題（如測試任務(wù)）、需求變更等，如存在困難則需要盡早作為問題（含風(fēng)險）提出來，并更新軟件問題跟蹤表。

（2）APP開發(fā)負(fù)責(zé)人定期（如雙周）并在階段工作/里程碑節(jié)點完成時，對WBS任務(wù)包和記錄的測量項進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得當(dāng)前實際執(zhí)行情況，并與計劃進(jìn)行比較，當(dāng)測量項超出閾值時則應(yīng)作為一個問題，需分析原因并及時采取糾正措施，通知受到影響的團(tuán)隊成員和發(fā)起人。

4）參考配置管理過程域的應(yīng)用方案

（1）經(jīng)過技術(shù)評審后的文檔和測試通過之后的代碼，需納入受控庫統(tǒng)一管控；

（2）通過合格性測試和/或確認(rèn)測試的，則應(yīng)該進(jìn)入產(chǎn)品庫；

（3）2個庫中的文件（即配置項）的存取改，均需要獲得該APP項目發(fā)起人的同意并有技術(shù)狀態(tài)備注。

5）參考過程和產(chǎn)品質(zhì)量保證過程域的應(yīng)用方案

SQA人員對總體開發(fā)流程、關(guān)鍵控制點（需求提出、分析、測試）的活動和工作產(chǎn)品（技術(shù)文檔與部分代碼）進(jìn)行質(zhì)量審查，對存在的主要不符合項進(jìn)行督促整改，促使開發(fā)人員對整個應(yīng)用方案的理解與執(zhí)行能越來越到位。

4 方案應(yīng)用效果

選擇10個開發(fā)周期為一年（計劃）的一批APP研制項目作為試驗對象[15]，并分為 2組：第一組 5個試點APP按照本文的GJB5000A應(yīng)用方案進(jìn)行研制，第二組5個APP繼續(xù)沿用平時的科研模式，未按照本文應(yīng)用方案進(jìn)行研制（兩組的專業(yè)屬性、開發(fā)語言、技術(shù)難度和規(guī)模等因素比較接近）。

之后，由獨立的軟件測試組對這批APP軟件進(jìn)行合格性測試（預(yù)驗收）工作，兩組APP發(fā)現(xiàn)的問題對比情況如表1所示。

表1 兩種不同開發(fā)模式下APP軟件的效果對比

表1中，問題按照來源分為文檔問題和代碼問題；按照級別分為嚴(yán)重、一般和輕微（“致命”級別問題不存在，故省略）。其中嚴(yán)重問題是指APP軟件無法正常運(yùn)行或無法正常預(yù)報性能；一般問題是指該APP對個別船舶總體性能指標(biāo)預(yù)報不準(zhǔn)確，或魯棒性還存在較大不足；輕微問題是指該APP在條件域內(nèi)所有性能指標(biāo)預(yù)報都準(zhǔn)確，但是友好性或魯棒性不足，如輸入?yún)?shù)有誤時沒有提示信息或信息不夠準(zhǔn)確清晰。

經(jīng)過軟件測試組測試，按照本文應(yīng)用方案進(jìn)行研制的第一組5個試點APP，共發(fā)現(xiàn)15個問題。其中13個輕微問題普遍都是個別參數(shù)錯誤時沒有提示信息；2個一般問題是輸入?yún)?shù)超過條件域（越界）時，計算結(jié)果不符合期望值。

而未按照本文方案的第二組5個APP，共發(fā)現(xiàn)了53個問題。其中有1個APP一旦改變推薦的輸入?yún)?shù)，軟件崩潰，或者給出的結(jié)果仍然是一樣的，且沒有相應(yīng)的文檔支撐，是一個嚴(yán)重問題；32個一般問題，普遍體現(xiàn)在輸入邊界不清晰（未做充分需求分析），測試者在隨意改變輸入?yún)?shù)時，特別是在逼近條件域邊界（需開發(fā)者口頭判斷是否超出條件域）時，計算結(jié)果明顯不合理、沒有結(jié)果輸出甚至軟件直接崩潰；另外還有20個輕微問題。特別地需指出的是，這些APP的文檔也普遍薄弱，很多APP沒有對應(yīng)用域、相應(yīng)的條件域（參數(shù)設(shè)置）做出說明，大部分只給出了簡單的數(shù)學(xué)模型并缺少必要的需求分析，在開發(fā)人員自測試的時候也無法進(jìn)行邊界測試（因為條件域不清晰，不知道邊界在哪），因此軟件質(zhì)量普遍比較低下。

此外，在完成第一輪合格性測試并提出整改要求之后，第一組5個試點APP在后期驗收測試中全部一次性通過，而第二組5個APP，在后期經(jīng)過多次回歸測試之后，才勉強(qiáng)通過，且在總體進(jìn)度方面（驗收通過）平均延遲了3個月（25%）左右。

可見，采用本文應(yīng)用方案進(jìn)行研制過程管控的APP軟件，能較好地體現(xiàn)出其應(yīng)用域、數(shù)學(xué)模型、相應(yīng)的條件域（參數(shù)設(shè)置）等體現(xiàn)專家知識密集的特點，能大幅提高軟件質(zhì)量、控制研發(fā)進(jìn)度，大幅提升APP軟件按時高質(zhì)量完成的成功率。

5 結(jié)論

本文研究了船舶總體性能 APP軟件在其應(yīng)用域、數(shù)學(xué)模型以及參數(shù)設(shè)置等環(huán)節(jié)專業(yè)知識密集、邏輯復(fù)雜特點，并針對開發(fā)過程中存在的流程不規(guī)范、需求分析不充分等問題，參考GJB 5000A核心思想，研究制定了相應(yīng)的軟件開發(fā)流程和過程精準(zhǔn)管控方案，為APP軟件的規(guī)范化開發(fā)提供了依據(jù)，通過試點項目表明其可以大大提高軟件質(zhì)量和可靠性，有效控制開發(fā)進(jìn)度，可為船舶領(lǐng)域性能預(yù)報APP軟件的設(shè)計開發(fā)提供指導(dǎo)，同時也可為其他復(fù)雜軟件研發(fā)提供參考。

6 致謝

船舶總體性能預(yù)報APP研發(fā)是一項開創(chuàng)性的工作，本文的完成得到了中國船舶科學(xué)研究中心何春榮所長的親自關(guān)心與指點。相關(guān)工作涉及到了大部分研發(fā)部門、部分機(jī)關(guān)部門以及單位SEPG組主要成員，因此在這里特對相關(guān)人員表示感謝，如質(zhì)量安全處的彭超、技術(shù)基礎(chǔ)部的許哲、軟件工程中心的孫佳新、新興技術(shù)室的陳奕宏、陳偉政、查建波、陳卓等。